（地质工程专业论文）加筋地基强度及极限承载力分析.pdf

摘要 本文主要研究了加筋地基的强度特性和极限承载力的计算方法。 首先，利用室内三轴模型试验，研究了土工织物的布置方式对加筋复合土体 强度的影响规律，并在此基础上对加筋土的强度特性进行了分析。三轴模型试验 表明，加筋试样的强度一般都比不加筋土体强度要有所提高，加筋效果随着围压 的增加逐渐减小，加筋试样的强度并不是随着加筋层数增加呈线性增长，加筋试 样侧向变形明显比不加筋试样小得多。 然后，在试验的基础上，对前人的研究成果进行了改进，提出了加筋影响范 围的概念，改进了前人提出的加筋土强度计算模型，并通过非线性弹性模型对加 筋试样进行了有限元分析，把有限元分析的结果与实验数据进行了比较，证实了 这种方法的可行性。 最后，分析了加筋地基破坏时筋材内力的分布规律，探讨了加筋层数对加 筋地基承载力的影响。理论和试验结果表明，筋材若布置在土体发生最大水平位 移的地方，就能起到最好的作用：当加筋层数大于3 时，承载力的提高不明显。 本文通过理论的推导，得出了条形基础下加筋地基发生最大水平位移的深度，然 后，分长带和短带加筋两种情况，分别提出了条形基础下加筋地基承载力的计算 方法，并将这种方法应用于工程实践。实践证明这种计算方法是可靠的。 关键词：加筋地基：三轴试验：有限元；非线性弹性模型；地基承载力 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r i m a r i l ys t u d i e dt h es t r e n 毋hc h a r a c t e r i s t i c sa n du l t i m a t eb e a r i n g r e s i s t a n c eo f t h er e i n f b r c e ds o i l t h i sp a p e rc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a n s f i r s t ly b a s e do nt h el a b o r a t o r yt r i a x i a l t e s t ，t h ee 髓c tl a w so fa r r a n g e m e n tm o d eo fg e o t e x t i l e so nt h er e i n f o r c e ds o i l h a v e b e e ns t u d i e d ，a n dt h e nt h es t r e n 昏hc h a r a c t e r is t i c so fr e i n f o r c e ds o i lw e r ea n a l y z e d 1 n a x i a lt e s ts h o w st h a tt h es t r e n g t ho f r e i n f o r c e ds a m p l e sa r eb i g g e rt h a nt h a to f u n r e i n f o r c e ds a m p l e st h ee 臻；c t so ft h er e i n f o r c e ds a m p l e s 伊a d u a l l yd e c r e a s ew 酰 t h ei n c r e a s e m e n to fc o n f i n i n gp r e s s u r et h es t i - e n 舛ho ft h es a m p l e sd on o ti n c r s e w i t ht h en u m b e ro fl a v e r so fg e o t e x t 主l e s t h el a t e r a ld e f o r m a t i o no f 也er e i n f o f c e d s a m p l e si so b v i o u s l y l o w e r t h a nt h a to f u i l r e i n f o r c e ds a m p l e s s e c o n d l 敞b a s e do n 也el a b o r a t o r yt r i a x i a lt e s c 孤dp r e d e c e s s o r sr e s e a r c h ，t h e p a p e rp u tf o n ，a r dt h ec o n c e p ta b o u tr e i n f o r c e di n c i d e n c e t h e nam o d 墒e dm e t h o dt o c a l c u l a t et h es t r e n g t ho fr e i n f b r c e ds o i lw a sp u tf o r 、v a r d u s i n gt h em e t h o d ，t h e r e i n f o r c e ds a m 口l ew a sa n a l v z e db vw a yo fn o n 1 i n e a re l a s t i cf e m m o d et h ef e m r e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t 孔t h u st h ef e a s i b i l 时o f t h em o d ew a s t e s t e d f i n a l lv s o m ed i s t r i b u t i o nl a w so ft h et e n s i l ef o r c e s i nr e i n f o r c e m e n ta tt h e f a i l u r eo fr e i n f o r c e df o u n d a t i o n sw e r es t u d i e d ，t a k i n ga c c o u n to ft h e1 e n g t h o f r e i n f o r c e m e n ta n dr e s e a r c hw a sc o n d u c t e do n t h ee 丘色c to ft h en u m b e ro f r e i n f o r c e d l a v e r so nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo f r e i n f o r c e df o u n d a t i o nt h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h eb e a r i n gc a p a c i t yi n c r e a s el i t t l ew h e nt h en u m b e ro f t h er e i n f o r c e dl a y e r sr e a c h 3a n di ft h eg e o t 嘲i l e sc o u l db ep l a c e dw h e r et h eh o r i z o m a ld i s p l a c e m e mi s t i l e b i g g e s t ，t h er e s u l to f t h er e i n f o r c e ds o i li st h eb e s tb ya c a d e m i cd e d u c t i o n ，t h ep a p e r e d u c e dt h ed e p t hw h e r et h eh o r i z o m a ld i s p l a c e m e n t i s b i g g e s t f u n h e r m o r e ，t h e a n a l v t i c a lm e t h o dt oc a l c u l a t et l l em o s ti d e a le m b e d d e dd e p t l ia n dd i s t a n c eb e 柳e e n g e o t e x t i l eu n d e rt h es t 邱f o o t i n ga s w e l la san e ww a yt oc a l c u l a t et h eb e 撕n g c a d a c i t vo f r e i n f o r c e df o u n d a t i o nr e i n f o r c e db y s h o r ta i l d1 0 n gg e o t e 】( t i l es t r i pw a sp u t f o 九v a r d t h i sm e t h o dw a su s e di n t op r a c t i c ea n dt h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h em e m o d w a sc 0 r r e c t k e y w o r d s ：i k i n f o r c e ds o i l ；t r i a x i a lt e s t ；f e m ；n o n - l i n e a re l a s t i cm o d e b e a r i n gc a p a c i t y 中南大学硕士学位论文 加筋地基强度及极限承载力分析 第一章绪论 1 1 加筋土技术发展概述 加筋土是一种在土中加入加筋材料形成的复合土。在土中加入加筋材料可以 提高土体的强度，增强土体的稳定性。因此，凡在土中加入加筋土材料而使整个 土工系统的力学性能得到改善和提高的土工加固方法均称为土工加筋技术，形成 的结构亦称之为加筋土结构“1 。 加筋土技术从广义上讲是一门土工增强技术，或称土工补强技术。常见的有 加筋土、纤维土、复合土、改性土等。早在古代、劳动人民就从感性认识到在土 内掺入或铺设适当的加筋材料，可以不同程度地改善土体性质，并应用于实践。 远在3 0 0 0 年前，英国人就在沼泽地带用木排修筑道路，公元前2 5 0 0 年古罗马用编 织的芦苇在软基上筑路。在我国，加筋土技术的应用实际上也有悠久的历史，汉 武帝时人们就用草技混杂在土内筑长城；将草、麻拌在土内夯造土墙；民用建 筑掺入草筋泥壁，加入发丝等筋料抹墙面，用草绳、柳条填筑路堤；在河滩河岸 地段用梢捆( 树木枝条、竹条等) 逐层填入土中以加固河岸或堤基。据有关资料 称，在黄土高原地区修建的土桥，实际上是在填筑过程中铺入姜石、草绳、乔木 枝条的“加筋土”路堤，这种土桥可历时数百年而不坍塌。据实测，有的土桥竟高 达6 1 5m 。遗憾的是，古人发明并使用了加筋土技术，但却未加以总结，未形成 系统的理论和技术，故一直无较大的发展。 加筋土作为近代建筑技术加以研究和推广应用，则是近3 0 年来的事。6 0 年代 初，法国工程师亨利- 维达尔( h e 嘶v i d a l ) 首先在试验中发现，当主中掺有纤维 材料时，其强度可明显提高到原有强度的好几倍。1 9 6 0 年他根据三轴试验结果提 出了加筋土概念，1 9 6 3 年发表了他的加筋土研究成果并提出了设计理论。1 9 6 5 年在法国建造了第一座加筋土挡墙，并获得成功，继而申请了专利( 1 9 6 6 1 9 7 8 年) 。1 9 6 7 】9 6 8 年在法一意高速公路尼斯芒通段上将大量的传统结构改用加筋土 结构，墙的最大高度达2 3 m 。因此，有人将加筋土与钢筋混凝土一样称之为“造 福于人类的复合材料”。 曰本对加筋土技术的研究和应用也比较早。在维达尔申请专利后的第2 年 ( 1 9 6 7 年) ，日本将该技术正式公布为“补强土工法”，并在许多公路、城市道路、 边坡等工程中广泛应用。在西班牙，1 9 7 1 年建造了第一座加筋土挡墙，随后的发 展和推广应用也相当快。美国1 9 7 2 年修建了加州3 9 号公路开始使用，联邦公路 局专门有班子从事有关研究和应用工作，其推广应用和研究开发也相当快。其它 许多国家也先后使用和推广了加筋土技术，据1 9 8 2 年发表的资料( 不完全统计) ， 世界上有3 7 个国家建成了大约5 0 0 0 多项加筋土工程，加筋土工程已从加筋土挡墙 中南大学硕士学位论文 加筋地基强度及极限承裁力分析 发展应用到桥台、护岸、堤坝、建筑物基础、铁路路堤、码头、防波堤、水库、 尾矿坝、储仓及核设旌、军用设施等多个领域。在1 9 8 1 年第十届国际土力学及基 础工程会议的科技水平发展报告中认为，6 0 年代以来，岩土工程中重要新进展之 就是加筋土和锚杆技术的广泛应用。 加筋土技术在我国发展和应用是在7 0 年代末开始的。1 9 7 8 1 9 7 9 年云南煤矿设 计院在田坝矿区建成了3 座仅2 4 m 高的试验性加筋土挡墙，这也是我国的第一座 加筋土挡墙。1 9 8 0 年又在该矿区建成了一座长5 7 m 、高83 m 加筋土挡墙，建成后 使用效果良好。原设计墙顶储煤高度5 m ，储煤量2 0 0 0 t ，后因原煤外运中断，储 煤高度达13 m ，储煤量达7 0 0 0 t ，结果是挡墙完好。这说明加筋土挡墙具有相当大 的稳定性。该工程的成功引起了我国土木建筑行业的工程技术人员很大的兴趣， 随后在公路、铁路、水运、煤炭、林业、水利、城建等行业和部门迅速发展和推 厂。应用。1 9 8 1 年在山西晋城一陵川公路线上建成了一座长8 17 5 m ，最高达1 2 m 的 路肩式加筋土挡墙。同年在浙江天台县清溪建成了一座长7 2 m ，高5 2 m 护岸加筋 土工程。其后在湖北大冶发电厂铁路专用线、武汉葛店铁路专用线、陕西口镇公 路、广州一丛化铁路改线等也先后建成了加筋土工程。1 9 8 4 1 9 8 5 年，重庆交通学 院在重庆长寿自沙湾长江北岸设计并成功建造了座高近2 6 m ，长1 1 0 余米的加 筋土码头，这也是当时世晃上最高的加筋土码头工程。到1 9 8 9 年据不完全统计， 我国已建成加筋士工程3 1 1 项，其中公路占8 5 ，铁路占6 ，林区、矿区占3 ， 其它行业占6 。迄今，全国己建成数千座加筋土工程，大部分应用于公路和城 市建设、水运和水利工程。重庆长江滨江路工程，长约6 k m ，护岸挡墙和公路挡 墙均采用加筋土结构，墙最高处达3 3 m ，加筋土挡墙墙面积约1 1 0 0 0 0 m 2 ，它是目 前我国规模最大的加筋土工程，也是目前世界上规模最大的加筋土工程。仅在重 庆地区，近1 0 年建成的加筋土工程就有数十座，加筋土工程总长度达2 0 余公里。 另外总长约1 0 k m 的若干工程项目正在设计与建设之中。在三峡库区建成了总高 度达5 5 m 的加筋土挡墙，全国在高速公路及一般公路的支挡建筑，特别是高速公 路的软基处理方面越来越倚重于加筋土结构。 在总投资约1 5 5 亿元的长江口深水航道治理工程中，大量采用加筋、软体排和 垫层、滤层等土工织物应用新技术，仅一期工程就使用了各类土工布约8 1 l 万m 2 ， 加筋带约7 8 8 万m ，节约工程投资数亿元，工效提高约1 0 倍。在太仓中远国际城 围堤吹填工程中，使用各种土工织物1 7 0 万m 2 ，与传统结构相比，节约工程造价 l o o o 多万元，据初步估算，节约幅度为1 5 7 2 26 。 加筋土结构作为种新颖的完整结构物，在土工合成材料的应用领域占有较 为重要的地位，有关的国际、国内学会在加筋土技术的研究和推广应用方面也异 常活跃，全国各行业部门和许多工程技术人员也均看好加筋土技术，并在工程实 中南大学硕士学位论文 加筋地基强度及极限承载力分析 践中不断地研究和探索。 由于加筋土在技术上的优越性、显著的经济性和广泛的适用性，加筋土技术 获得了国内外更多的青睐。为了适应加筋土技术的推广应用，世界上许多国家先 后制定并颁发了有关加筋土工程的设计、旖工规范和标准，或设计施工指南等， 如法国、日本、美国、荷兰等。我国交通部早在1 9 9 1 年就制订并颁发了公路加 筋土工程设计规范( j t j 0 1 5 9 1 ) ，公路加筋土工程施工技术规范( j t j 0 3 5 9 1 ) 等行业标准，铁道部在铁路路基支挡结构物设计规范中加入了加筋土工程的 有关条文和内容，水利部己发布了有关应用指南。1 9 9 9 年初，国家正式颁发了土 工合成材料应用技术规范( g b 5 0 2 9 0 一9 8 ) ，土工合成材料产品标准即将颁发， 交通部制订和颁发了水运工程土工织物应用技术规程( j t j ，t 2 3 9 9 8 ) ，水利部 制订和颁发了水利水电土工合成材料应用技术规范( s i _ 仃2 2 5 9 8 ) 和土工 合成材料测试规程、铁道部制订和颁发了铁路路基土工合成材料应用技术规 范( t b l 0 1 1 8 9 9 ) 。这对我国的加筋土技术的推广应用将起到有力的推动作用。 虽然加筋土技术己广泛应用于公路、铁路、水运、煤炭等行业和部门，但把 加筋土作为建筑地基，用来提高软土地区的地基承载力的研究和工程实例却很少 见报道。 1 2 加筋土材料 1 2 1 加筋材料 加筋材料是加筋土结构的关键部分，正是因为加筋材料的研究开发才使加筋 土技术得以广泛应用和不断向前发展。在加筋土结构中，不管采用哪类加筋材料， 有两点必须特别强调和严格控制：一是材料的变形和强度，二是材料的耐久性。 根据材质情况，加筋材料可分为四大类： 第一类属天然植物，如竹筋( 竹片) 、柳条等。一般用于临时工程、临时抢 险工程等。 第二类为金属材料，如扁钢带、带肋钢带、镀锌钢带、不锈钢钢带等。 第三类为合成材料，如聚丙烯、聚乙烯、聚酯、尼龙、玻璃纤维材料等。其 形式主要有聚丙烯条带、土工格棚、土工网、土工织物( 俗称土工布) 。 第四类为复合材料，如钢筋混凝土带，钢一望复合加筋带等。 第三、第四类材料目前用得比较普遍，而尤以土工合成材料使用得最为广泛， 下面加以简要介绍。 1 2 1 1 土工合成材料的发展 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，是岩土工程中应用的合成材料的 总称。它是以土工合成的聚合物，如塑料、化纤、合成橡胶等为原料，制成的一 系列土工产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强或保护土体的作 中南大学硕士学位论文 加筋地基强度及极限蓉载力分忻 用川。 根据文献记载，土工合成材料的最早利用，是上世纪3 0 、4 0 年代将聚乙烯、 聚氯乙烯土工膜用作渠道和水池的防渗。随着化纤工业的发展，5 0 年代才有以 化纤制成的织造型土工织物闻世。1 9 5 8 年美国佛罗里达州将土工织物铺在海岸 块石护坡下作为防冲垫层，公认为是土工合成材料用于岩土工程的开端。 土工合成材料的主要创始人之一的j 基劳德先生将土工合成材料发展进程 划分为三个阶段：1 9 6 0 1 9 7 5 开拓期；1 9 7 5 1 9 9 0 设计施工方法研究和新产品开 发时期；1 9 9 0 以后为土工聚合物时期，即岩土工程师与聚合物专家台作进行改 进设计施工方法和研制新产品时期。 土工合成材料在我国的应用和发展，大体上可以分为三个阶段： 第一阶段自6 0 年代中期至7 0 年代末期，可称为自发应用阶段。当时在我国 市场上已经出现了很多塑料和化纤产品。在河南、山西、北京、陕西、山东等省 的多处灌溉渠道，河北省的一座进洪闸和辽宁省一座混凝土支墩坝上，曾先后利 用塑料薄膜作为防渗材料。6 0 年代初，铁路上成功地利用氯丁橡胶作为路基的 封闭层。1 9 7 8 年在云南田坝贮煤场修建了我国的第一座试验性加筋土挡土墙。 1 9 8 0 年在山西铜城陵川公路上修建了第一座公路加筋土挡土墙。 第二阶段自8 0 年代初期至8 0 年代末期，可称为技术引进阶段。1 9 8 1 年我 国铁路部门研究试用美国、英国生产的无纺布及国产透水和不透水合成材料作为 路基的基层，以防止翻浆冒泥，取得了良好效果。同年，天津新港引进日本生产 的塑料排水带，同时研制成功自制的产品。1 9 8 2 1 9 8 3 年进行了塑料排水带与袋 装砂井的对比试验，作为加固软弱地基的措旖，在我国首次获得成功。 第三阶段从8 0 年代末至现在，可称为建设与发展阶段。加筋土筋材测试方 法、设计规范不断完善。1 9 9 1 年由南京水利科学研究院编写了土工合成材料 测试手册；1 9 9 2 年由土工合成材料协会编写了土工合成材料工程应用百例； 1 9 9 4 年由土工合成材料协会编写了土工合成材料工程应用手册；1 9 9 8 年由交 通部发布了公路土工合成材料应用技术规程；1 9 9 8 年由建设部发布了土工 合成材料应用技术规程；1 9 9 8 年由水利部发布了水利水电土工合成材料应用 技术规程；1 9 9 8 年由铁道部发布了铁路路基土工合成材料应用技术规程； 1 9 9 8 年由水利部发布了土工合成材料测试规程。这些，对规范筋材的测试方 法及工程应用发挥了重要作用。 12 1 2 土工合成材料的分类 根据由水利部会同有关部门共同制定的土工合成材料应用技术规范 ( g b 5 0 2 9 0 一9 8 ) ，土工合成材料分为四大类，即士工织物，土工膜，土工复合材 料和土工特种材料。土工织物又可分为织造和非织造两类。织造包含机织( 含 4 中南大学硕士学位论文 加筋地基强度及极限承载力分析 编织) 和针织两类。本文试验中主要使用的就是针织类的土工织物。 】2 13 土工合成材料的功能 土工合成材料之所以对岩土工程这样重要，在于它有许多优良的性能，它的 主要功能有”1 ： ( 1 ) 过滤作用：把土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地防 止由于土颗粒的过量流失而造成土体的破坏。例如土石坝粘土心墙和 粘土斜墙的滤层、挡土墙回填土中排水系统的滤层等。 ( 2 ) 排水作用：合成材料在土体中形成排水通道，把土中的水分汇集起来， 沿着材料平面排除土体。较厚的针刺无织物和具有较多孔隙的复合型 土工合成材料都可以起排水作用，例如塑料排水板或袋装砂井用于软 基处理中的垂直排水等。 ( 3 )隔离作用：利用合成材料孔隙的大小将不同粒径的材料，或材料与地 基间隔开来，以防相互混杂，造成水土流失或结构失稳。例如在土石 混合坝中隔离不同的筑坝材料，在人工填土与堆石或材料堆场与地基 间充当隔离层等。 ( 4 )加筋作用：土工合成材料埋于土体内，可以改善土体内应力场的分布， 增加土体变形模量，传递拉应力，限制土体侧向变形，提高土体及建 筑物的稳定。 ( 5 )防渗作用：防止液体渗漏、气体挥发、保护环境或建筑物的安全。 岩土工程中应用合成材料，是利用其一种或几种功能，以期加强和改进岩土 工程结构物的性能，达到既安全又经济的目的。 1 2 2 填料 加筋土填料是加筋土结构的主体材料，填料与加筋材料组成加筋土的主体结 构。从工程实践来看，填料的选取直接关系到工程结构安全和工程造价。国外在 加筋土结构试建初期，对填料的要求较高，仅限于使用砂性土，而且对填料组成 的各种粒径含量也有严格要求。但在控制细粒土的含量方面，各国又作了不同的 规定，都规定了各自的土工标准。填料和土工标准包括了填料的力学标准和施工 标准。规定填料的土工标准是为了充分发挥土与加筋材料间的摩擦作用，以保证 筋一土复合体的整体性和结构的安全稳定性。交通部颁发的公路加筋土工程设 计规范( j t j 0 15 9 1 ) 、公路工程加筋土技术规范( r r j 0 3 5 9 1 ) 、水运工程土 工织物应用技术规程( j t j t 2 3 9 9 8 ) 等对填料的限制都比较少，除规定腐殖土、 冻结土、白垩土及硅藻土禁止使用外，其余的原则上都可以用作填料。不过，填 料的选用还得根据工程的环境条件和使用功能，根据具体情况选用。一般来说， 砾类土、砂类土、碎石土等可直接采用，其它土根据情况可直接采用，或经过对 中南大学硕士学位论文 加筋地基强度及程限承载力分析 填料进行一定的技术处理，或辅以相应的技术措施、相应的结构构造处理才能采 用。 加筋土工程技术发展到今天，可以说其填料的选择范围越来越大，选择填料 应以就近为原则，易取、价廉、能达到施工标准即可。 1 3 加筋土工程的分类及特点 加筋土是由一层或多层水平的加筋材料构件与填料交替铺设所组成的复合 体。加筋土工程有各种类型和形式，按其工作性质和设计计算理论假定，可分为 加筋土挡墙、加筋土边坡和加筋土地基三大类。加筋土地基按使用用途，一般分 为加筋路基、加筋堤基和加筋地基。本文主要研究加筋地基。 加筋土工程的特点主要有： 1 技术简单、施工方便 加筋土结构虽然机理复杂，但结构简单，技术容易掌握，需要的施工机械较 少，不需要专门的施工机具；再加之加筋体逐层回填压实形成柔性结构，加筋土 体形成的加载作用而引起的地基变形对加筋土结构本身的影响很小，因而需要的 地基处理也比较简单，施工十分方便。 2 要求较低、节省材料 加筋土各组成部分对材料的要求不高，大宗材料为加筋土填料一般填土， 其来源广泛，易于获得；对地基承载能力的要求相对来说较低，比较容易满足： 所用材料少。与其它结构相比，能较显著地节省材料用量。 3 施工速度快、工期短 加筋土工程结构技术简单、施工容易方便，而且材料用量少，现场土石方量 少。施工作业简单，可组织流水作业，也可进行大面积施工。另一方面，加筋土 工程施工组织简单，施工工序少，现场比较好管理和指挥。因此，加筋土工程施 工速度很快，工期都比较短。如重庆长江滨江路南菜段护岸工程一期工程，挡 墙离1 0 j 2 m ，长5 0 4 m ，实际施工时间仅4 6 天；二期工程长1 2 7 2 m ，墙高8 1 8 m ， 其中约有3 0 0 m 在水下施工，仅用了约5 个月时间就基本竣工。 4 造价低廉、效益明显 加筋土工程的造价与其它结构相比，造价降低幅度一般在1 0 5 0 。另外， 施工时对环境的影响小，施工快、工期短，其综合效益十分显著。 6 适应性强、应用广泛 加筋土技术的应用经过几十年的发展，己从公路路堤、路肩发展到应用于桥 台、匝道、隧道口防护，目前己用于处理公路边坡，市政建设，建筑地基，港口 码头、防波堤、护岸工程、航道工程，铁道工程路基边坡，工民建军配套工程， 防洪堤、水库、水闸，林区工程，工业尾矿坝、渣场、料场、货场等：甚至还用 中南大学硕士学位论文 加筋地基强度及极限承载力分析 于危险品( 如石油、氨等) 或危险建筑( 核电站) 的围堤、围墙，军事防护工程 和设施等。 1 4 加筋地基的研究意义 随着人们越来越关注环境，保护环境已成了当今世界的共识。在建筑和施工 领域，也正面临着保护环境的迫切要求。由于技术本身的限制及人们环保意识的 不足，传统的建筑与施工技术仅仅停留在解决工程问题的阶段，只考虑到如何解 决好工程中遇到的问题，而没有考虑到所提出的解决方法是否破坏了环境。这些 方法在技术落后的时期是迫不得己的选择。例如，为了建高层建筑，在基础形式 的选择上，大家普遍选用桩基础。从短期来看，这种选择似乎无可非议，但从环 境保护的长远观点来看，这种不加区别盲目使用桩基础的方法并不可取。土工环 境也是环境保护的一个重要方面，其形成是经过上千万年甚至上亿年的自然历史 作用的结果，一旦破坏就再也难以恢复。那些深入地下几十米、甚至上百米的桩 基础，不仅将地下的土工环境破坏了，而且随着人类的生活空间日益向地下发展， 它们还可能会成为向将来地下发展的障碍，例如，如果将来在这里修建地铁，那 么深入地下的桩基础就必定会影响地铁修建。而将加筋土作为建筑地基。其处理 深度仅限于地表几米范围之内，相对于其它方法，加筋土基础对土工环境的破坏 较小，并且能给未来的地下发展留下一定的余地，因而具有重要的环保意义。 其次，加筋土作为一种工程技术，广泛应用于堤坝，挡土墙等工程领域，但 将加筋土作为建筑地基加以研究，却并不多见。然而，加筋地基具有很多优点。 它能提高地基的承载力，减少地基的不均匀沉降，提高地基的稳定性，而且。它 还具有很大的经济效益。尤其是处理软弱土层，以天津地区的软粘土地层为例， 采用传统的桩基础形式，其工程造价普遍较高，一般在一二干元每平方米，而采 用加筋土作为地基时，则造价只在三四百元每平方米，其经济效益是显而易见的。 另外，对加筋地基的研究还有助于土力学的发展。加筋土作为地基，其加筋 机理、计算方法、设计原理都还没有统一的意见，都还有待于进一步的研究，而 对这些方面的研究必然会促进土力学的发展。 1 5 加筋地基的研究现状 关于加筋技术应用于承载力问题方面的研究相对于应用在挡土墙、堤坝和 路基等方面的研究要少得多。但是也有一些学者在这方面作过一些卓有成效的工 作。研究加筋地基的承载力问题，其实验方法有三种：一是现场实型实验，二是 离心模型实验，三是室内模型实验。 现场试验是在实际现场条件下完成的，要求基础、地基、筋材等的大小形 状、指标性能等都必须和实际的一样，这种试验实际上是很难做到的，即使要做 也得付出相当的代价。林开球、冯光愈( 1 9 8 9 ) 采用现场载荷试验研究了加筋软 7 中南大学硕士学位论文 加筋地基强度及极限承载力分析 基的承载力特性。马来西亚的罗可“3 ，泰国的伯加多等人“1 采用三种填筑到破坏 高度的加筋和不加筋试验堤进行试验。三座堤一座不加筋( 简称c e 堤) ，一座铺 设四层低刚性模量无纺土工织物( 简称m g e 堤) ，另一座铺设层高强度无纺土工 织物( 简称h g e 堤) 。c e 堤在填筑至4 m 高度时全垮，m g e 堤填筑到4 2 m 时坍塌，而 h e 堤直到6 2 m 时才垮坍。通过测量表明，土工织物和周围土体处于工作状态下的 相对位移可忽略不计。这说明土工织物和周围土体的界面作用紧密，从而证实土 体和土工织物在工作条件下的复合特性。土工织物局部加荷试验表明，高强度土 工织物在土中和在空气中的应力一应变关系几乎没什麽差异，而低强度土工织物 在土中性状有明显改善。上例说明，把加筋土当作复合材料分析是完全可行的， 本论文就通过加筋砂土复合体的三轴试验，对加筋作用机理进行分析。 离心试验模型的基本原理是借助离心机产生的离心加速度，增加了模型中 的重力场，使土工模型具有与原型相似的边界条件和应力应变状态。根据相似理 论，当重力加速度增加到n g ( g 为重力加速度) ，模型尺寸可缩小为原型的l n 2 。 离心模型能较准确地模拟原型中的应力应变条件，观察土体可能发生的变形及稳 定情况，而模型尺寸却小得多，固结排水时间也缩短很多。这种实验方法是一种 理想的模型实验方法，为人们所称道，但这种试验因设各复杂、昂贵，至今在我 国还不十分普及，目前国内也只有南科院，长科院等几家较大的科研单位拥有离 心试验机。俞仲泉、李少青。3 就采用离心试验研究了土工织物与砂层复合加固地 基的作用机理。林开球、包承纲也采用离心模型试验检验了加筋陡坡的设计方法。 相对来说，室内模型实验是最为简单、经济的实验手段，只是这种实验无 法满足模型相似比，所以一般不适于作定量分析，但作定性分析，探讨一些规律 性的东西，则可弥补前两种实验方法的不足。室内试验主要分为界面特性试验和 三轴试验，界面特性试验主要研究工合成材料与土之间的界面反应，一般采用 直接剪切摩擦试验和拉拔试验，如图1 6 所示，通过不同压力下筋土界面反应来 加以研究。 ( a ) 剪摩试验 图1 6界面特性试验 ( b ) 拉拔试验 许多学者对拉拔和剪摩试验作了研究， m c g o 、v i l ( 1 9 8 1 ) 6 1 ，c h r i s t o p h e r ( 1 9 8 6 ) 【7 】i n g o l d ( 1 9 8 1 ) 嘲，e l f e r m a u o i ( 1 9 8 2 ) 州，p a l m e i r a 刍吉岛 中南大学硕士学位论文 加筋地基强度及极限承载力分析 e ma n dm i l i g a n ( 1 9 8 9 ) 【1 0 】，肖为民【6 6 】，徐林荣1 6 7 】等研究表明，在相同的法向应 力f ，等效拉拔力随回填粒径的增大而减小，随法向应力的增大而增大。同时还 发现，织物与土的相互作用，土与土工织物的摩擦系数随土工织物各点位移而变 化。三轴试验是将加筋土看成是复合土体，通过不同压力下土的强度特性来加以 分析 。 y a n g ( 1 9 7 2 ) 哆b r o w s b b ( 1 9 7 7 ) ( 1 2 j ，研a ydh ( 1 9 8 2 ，1 9 8 6 ) 1 1 3 】，i n g o l d ( 1 9 8 3 ) ，陈轮( 1 9 8 9 ) ，马时冬、王吉力( 1 9 9 2 ) 1 1 7 】例 等人均采用三轴试验对土的加筋机理进行了研究，大多数研究认为，土工织物的 加筋作用相当于对土体增加了一个侧向约束应力。陈文华【6 5 埽u 用平面应变试验 进行分析，将加筋土当作复合材料，用p = l 3 ( ol + o2 + o3 ) 归一拟合出复合土体 的双曲线应力应变关系，并通过有限元程序进行了加筋垫层的油罐地基变形分 折。 在加筋地基极限承载力实验研究方面，首推的是b i n q u e t 和l e e 【”】。它们 的室内模型实验，使用的筋材为铝金属长条片，基础为条形基础，埋深为零，地 基情况分三种考虑：一。是地基全为沙，二是地基在一层软土上，三是在地基内含 有岩洞或软土穴团。他们的实验得出了这三种情况下，筋材的层数( 层间距不变) 和最上面一层距基底深对极限承载力的影响规律，并推导了一个计算极限承载力 的解析方法。 j o a k r n m u s u r u ，ja a k i n b o l a d e 1 9 】利用室内模型研究了方形基 础下用长条片状纤维( s t p so f t o p e 硒e r ，宽l o m m ，厚00 3 m m ) 加筋的情况， 研究的影响承载力的参数包括纤维条的水平间距和垂直间距z ，层数n 帮最上层 距基底深u ，其结果显示u b = o ，5 时，承载力e eb c r 达最大值，层数n = 3 时，b c r 值也达最大，并指出加筋时承载力比未加筋时最高可提高到三倍多，r 舢i o t a t s u o k a l 2 0 】利用室内模型试验，研究了条形基础下钢条加筋地基的加筋规律， 得出的结果是9 根钢条在与基础等宽范围内，离基底距离为o 8 倍基础宽的深度 加筋效果最好。 1 6 本论文研究的目的和内容 土工合成材料在岩土工程中的应用是一项新技术，具有许多优越性和很高 的经济效益，因而越来越引起工程界的重视。然而，任何一项技术和材料都必须 正确地应用。才能取得理想的效果。目前土工合成材料在岩土工程中的作用机理、 设计理论、计算方法、测试技术和测试标准的研究虽然很多，但没有一种方法能 得到广泛的认可，不能适应土工合成材料在岩土工程中应用的需要，而且大多数 研究以极限平衡理论为主，将加筋土分为土、筋材、界面三部分研究。本文试图 以复合土体的方法和极限平衡方法结合起来分析，以高强度的经编织物为材料对 加筋砂土进行三轴试验，研究加筋土的强度特性，进而分析加筋地基承载力特性。 9 中南大学硕士学位论文 加筋地基强度及极限承载力分析 下面对论文主要工作加以介绍： 1 采用高强度经编织物进行拉伸试验，确定其径向和纬向拉伸强度及拉伸 模量。 2 在砂土中铺设不同层数的土工织物，利用三轴剪切仪进行不排水剪切试 验，结合试样的应力应变关系曲线、试样变形情况，分析不同加筋层数、 不同加筋位置对加筋土强度、侧向变形的影响，进而研究加筋复合土体 强度特性。 3 利用弹性理论，提出加筋土体中筋材对土体影响范围的确定方法。 4 提出了一种新的加筋土强度的计算方法，并利用有限元，采用 d u n c a n c h a n g 模型对加筋试样进行有限元分析，最后有限元计算的结果 与三轴试验结果对照分析。 5 提出条形加筋基础的加筋深度，加筋间距的确定方法，并对不同加筋宽 度下加筋地基承载力公式进行了推导，最后还对理论公式进行了简化，使 其更适合于工程设计。 6 将该计算方法应用于工程实践，结合实际工程，分析了用该方法进行工 程设计的可靠性。 中南大学硕士学位论文 加筋地基强度及极限承载力分析 第二章加筋机理及加筋效果分析 2 1 加筋机理 在工程实践中，我们知道松散的砂土可堆成具有天然体止角的砂堆，粘性土 体可开挖出具有一定高度的垂直坡面。如果在砂土中分层埋设水平向的加筋材 料，则这种由砂土和加筋材料形成的筋土复合体就可保持一定的高度和直立状态 而不塌成斜坡，它与粘性土体相类似。这表明砂土加筋后所形成的复合体的力学 性能和稳定性比未加筋前有所改善和提高。如果利用加筋后的复合体来建筑某种 建筑物，如挡土墙、边坡、建筑地基等，则加筋技术就具有一定的工程实际意义， 并有可能获得一定的经济效果。加筋土技术的提出、应用正是从这一思路出发而 发展起来的。 为了弄清砂土加筋后复合体强度和稳定性提高的原因，维达尔等人分别进行 了三轴试验和现场试验测试，提出了各种假说来解释和阐述筋土之间的相互作用 机理。根据迄今为止的研究结果，筋一土间相互作用的基本原理大致可归纳为两 大类：一是摩擦加筋原理，二是准粘聚力原理，或是粘聚力原理。 2 1 2 摩擦加筋原理 根据加筋土复合体中筋一土之间的基本构造，我们在加筋体中取出一微段来 分析。如图2 1 所示，微元体长为d l ，拉筋左截面受力为t 。，右截面受力为l ，压 住拉筋的法向应力为。，略去筋带重量和微元体土体重量。设拉筋与土粒之间的 摩擦系数为f ，b 为筋带宽度。由于土的水平推力在该微元段拉筋中所引起的拉力 为d t ，d t = t ，一t ：。设d f 为土粒与拉筋在该微元段上产生的总摩擦力，则有 d f = 2of b d l( 2 一1 ) 根据对该微元体的受力分析可知，如果 d f d t( 2 2 ) 则筋一土之间就不会产生相互错动，换句话说，土的水平推力被筋一土之间的 摩擦力所克服，则微元体保持稳定，反之则不能保持稳定。 从式( 2 一1 ) 和式( 2 2 ) 可知，拉筋材料要满足两点：一是表面要粗糙，能使 筋一土之间产生足够的摩擦力；二是要有足够的强度和弹性模量，前者保证在筋一 土之间产生错动前拉筋不被拉出，后者保证拉筋的变形与土体的变形大致相同。 在加筋土挡墙中，墙体由于受土体的推力产生破坏时( 暂将加筋土体看成无 筋土体) ，依据朗金理论，沿主动破裂面a b 将墙体分为主动区和稳定区，见图2 2 。 下滑土棱体a b c 自重产生的水平推力对每一层拉筋形成拉力，欲将拉筋从土中拔 出，而稳定区土体与筋带的摩擦阻力阻止拉筋被拔出。如果每一层拉筋与土体的 摩擦阻力均能抵抗相应的土推力，则整个墙体就不会出现 b 滑动面，加筋土体的 中南夫学硕士学位论文 加筋地基强度及极限承载力分析 内部稳定就有保证。 。， ! ，l ! 山。卜 e i ：= = 叉二厂 ! 】 jb ， 主动区 稳定区 ， ，+ 7 lj l0 00 j00 。l - f ， 图2 1摩擦加筋机理图2 2 加筋土结构及受力分析 设每层筋带所受的土体的水平推力为t ，那么 7 1 一 z 罗 一 一s 1 0 2 十s 1 12 一s 1 2 2 髟 _ s 1 3 2 e ( ) 图3 8 o3 _ 1 0 0 k p a 时不同层数试样应力应变曲线 咖 伽 詈三 卿 。 中南大学硕士学位论文 加筋地基强度及极限承载力分析 03 二 5 0 | _p o 一* 一。二 j 必嘻：4 。r 一 ，爱二r 一 压 。磐 萨 一s 一0 j 馥 r j 1 13 嚣 + s 1 2 3 一s 1 一j 3 ( ) 图3 9 o3 _ 1 5 0 k p a 时不同层数试样应力应变曲线 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o1 一o3 ( k p a ) f5 0、p o 7 r f 一， h p 7 i p = i d l ；= 山 痧修矽 i 旁 r ： 侈 ， i s 1 0 l i 形 ， s l l l t s 2 一l l 影 ij + s 3 一1 1 345 678 ( ) 时一层筋材试样应力应变曲线 ! 堕盔兰堕主兰篁堡茎 塑堕些苎堡垦墨塑里垦望塑坌塑 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 oro3 ( k p a ) 5 1 0 k p c ，p + 一h ，7 ， ， j j ， 雾 i ，三彭 i ， ! 一s 1 0 2 i。 一s 卜l ：! _ 7 - 一s 2 2 汐 ， 一s 3 12 45678 ( ) 层筋材试样应力应变曲线 o3 =l 5 0 p c ! i 一7 二二一一 ，乡4 乒 ：- d ” 。_ o ，乡名 名； f 格4 一s 1 0 3 + s l 一1 3 缮 一s 2 一1 3 既 扣s 3 一1 3 ( ) 图3 1 2 o3 _ 1 5 0 k p a 时一层筋材试样应力应变曲线 中南大学硕士学位论文 加筋地基强度及极限承载力分析 第四章加筋复合土体强度特性 土工织物加筋机理一直是学者们感兴趣的问题，多年阻来，许多学者作了大 量研究。i n g o l d ( 1 9 8 3 ) p6 】通过加筋土的三轴排水试验研究后认为，在土体中加入 筋才使土体的应力方向发生旋转，侧向压力系数增大，从而提高了土体的强度。 y a n g ，z ( 1 9 7 2 ) 【1 l 】首先提出将多层加筋土中的筋材作用当作一个周围压力，分析加 筋土的破坏。陈轮( 1 9 9 0 ) ，李广信等人【5 9 】【6 0 】_ 1 1 对纤维加筋土的研究中，也得出 类似结论。d o n a l d ( 1 9 8 6 ) 等人认为在三轴试验中加筋土破坏时砂土上的等效周围 压力为： 盯lr 叮3r2 盯3 2 。 盯tr 式中：a 。，为在围压口，下不加筋土破坏时的大主